电子测量技术(5.0)

1、电子测量技术 西南交通大学电气工程学院 孙永奎 email: 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5 时间和频率的测量 5.1 概述 5.2 频率和时间测量技术简述 5.3 电子计数器 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.5 电子计数器测量时间 5.4 电子计数器测量频率 5.6 提高电子计数器测频、测周 准确度的方法 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.1 概 述 时间和频率的基本概念 时间和频率基准 石英晶体振荡器 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.1.1 时间和频率的基本概念 1. 时间的定义 时间间隔 u(t) 0t t1t2 t 时刻 基本单位：秒（s） 5 时间和频率

2、的测量 电子测量技术 2. 周期（t） 基本单位：秒（s） t f 1 基本单位：赫兹（hz） 3. 频率（f） i tnf 5 时间和频率的测量 电子测量技术 4.时频测量的特点 v最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量 v测量准确度高测量准确度高 v自动化程度高自动化程度高 v测量速度快测量速度快 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.1.2 时间和频率基准 1. 时间基准 时间 基准 宏观计时 基准 微观计时基准 （原子时at） 零类世界时 第一世界时 第二世界时 历书时 世界时 以太阳通过伦敦格林威治天文台的 本初子午线为参考测得的平太阳时。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5

3、.1.2 时间和频率基准 1. 时间基准 时间 基准 宏观计时 基准 历书时 世界时 零类世界时 第一世界时 微观计时基准 （原子时） 第二世界时 通过多个天文台观测的数据修正地轴 运动对ut0的影响后，得到的时间基准。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.1.2 时间和频率基准 1. 时间基准 时间 基准 宏观计时 基准 历书时 世界时 零类世界时 第一世界时 微观计时基准 （原子时） 第二世界时 在ut1的基础上，改正了季节性，年 度性的变化后，得到的时间基准。 310-8 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.1.2 时间和频率基准 1. 时间基准 时间 基准 宏观计时 基准 历书

4、时 世界时 零类世界时 第一世界时 微观计时基准 （原子时） 第二世界时 以1900年回归年的 1/31556925.9747作为历书秒 110-9 310-8 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.1.2 时间和频率基准 1. 时间基准 时间 基准 宏观计时 基准 历书时 世界时 零类世界时 第一世界时 微观计时基准 （原子时） 第二世界时 定义铯133（cs133）原子基态在 二个超精细能级之间跃迁所对应的 9192631770个周期的持续时间为1秒。 510-14 110-9 310-8 5 时间和频率的测量 电子测量技术 2. 频率基准 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.1.3

5、 石英晶体振荡器 石英频率标准 是目前最常用的工作频率标准，频率 稳定度可以达到10-10数量级。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.2 频率和时间测量技术简述 直读法 比较法 计数法 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.2.1 直读法 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.2.2 比较法 5.2.3 计数法 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.3 电子计数器 电子计数器的发展概述 电子计数器的分类 电子计数器的主要技术性能指标 电子计数器的组成 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.3.1 电子计数器的发展概述 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.3.2 电子计数器的分

6、类 1.通用计数器 2.频率计数器 3.计算计数器 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.3.3 电子计数器的主要技术性能指标 频率：上限和下限 周期：最大值和最小值 输入耦合方式：ac和dc 触发电平及可调范围 输入灵敏度 最大输入电压 输入阻抗：高阻和低阻 5 时间和频率的测量 电子测量技术 显示位数 显示时间（可调） 显示方式：记忆和不记忆 输出时标信号的种类 输出数码的编码方式 输出电平 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.3.4 电子计数器的组成 记忆控制 门控双稳 触发器 复零脉冲 发生器 a 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 b 输入 时标 产生

7、器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 a输入 b输入 闸门输出 测频 测频 测周 测周 外标 晶振 放大整形主门 十进制 计数器 显示器 放大整形 记忆控制 复零脉冲 发生器 周期 倍乘器 时标 产生器 门控双稳 触发器 将输入信号进行放大、整 形，使其变为标准脉冲。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.3.4 电子计数器的组成 记忆控制 门控双稳 触发器 复零脉冲 发生器 a 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 b 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 a输入 b输入 闸门输出 测频 测频 测周 测周 外标 晶振 放大

8、整形主门 十进制 计数器 显示器 放大整形 记忆控制 复零脉冲 发生器 周期 倍乘器 时标 产生器 门控双稳 触发器 在门控信号作用的有效期，允许计数 脉冲通过进入计数器计数。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.3.4 电子计数器的组成 记忆控制 门控双稳 触发器 复零脉冲 发生器 a 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 b 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 a输入 b输入 闸门输出 测频 测频 测周 测周 外标 晶振 放大整形主门 十进制 计数器 显示器 放大整形 记忆控制 复零脉冲 发生器 周期 倍乘器 时标 产生器 门控双

9、稳 触发器 用于产生各种时标信号 和门控信号。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.3.4 电子计数器的组成 记忆控制 门控双稳 触发器 复零脉冲 发生器 a 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 b 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 a输入 b输入 闸门输出 测频 测频 测周 测周 外标 晶振 放大整形主门 十进制 计数器 显示器 放大整形 记忆控制 复零脉冲 发生器 周期 倍乘器 时标 产生器 门控双稳 触发器 能产生各种控制信号去控制和协调计数器各单 元工作，使整机按一定工作程序自动完成测量任务。 5 时间和频率的测量 电子测

10、量技术 5.3.4 电子计数器的组成 记忆控制 门控双稳 触发器 复零脉冲 发生器 a 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 b 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 a输入 b输入 闸门输出 测频 测频 测周 测周 外标 晶振 放大整形主门 十进制 计数器 显示器 放大整形 记忆控制 复零脉冲 发生器 周期 倍乘器 时标 产生器 门控双稳 触发器 用于对主门输出的脉冲信号 计数并显示十进制脉冲数。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.4 电子计数器测量频率 电子计数器的测频原理 电子计数器测频的最大 允许误差分析 频率比的测量 5 时

11、间和频率的测量 电子测量技术 5.4.1 电子计数器的测频原理 i tnf 记忆控制 门控双稳 触发器 复零脉冲 发生器 a 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 b 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 b输入 闸门输出 测频 测频 测周 外标 晶振 放大整形主门 十进制 计数器 显示器 放大整形 记忆控制 复零脉冲 发生器 分频器 时标 产生器 门控双稳 触发器 fx 计数显示 控制逻辑电路 i t i t x t x t n c t ci ktt 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.4.1 电子计数器的测频原理 ci kt n t

12、 n f x i t i t n fx 计数脉冲 （信号产生） 分频器输出 （晶振 fc分频） 门控信号 主门输出 主门时间应合理选择。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 主门时间选择原则：在计数器不产生溢出的 前提下，主门时间尽量取大一些。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.4.2 电子计数器测频的最大 允许误差分析 ) ( i i t t n n f f x x 5 时间和频率的测量 电子测量技术 1. 量化相对误差 量化误差（1误差） 量化误差的产生是不可避免的，是由于 主门时间的开启时刻和被测计数脉冲的随机 关系引起的。 n n 5 时间和频率的测量 电子测量技术 i t 1

13、t 2 t x t 设ti时间内计数值为n，则 21i tnttt x 21 ttntx x x t t tt n 21 n x t tt n 21 x tt 1 0 2 t1 n 0 1 t x tt 2 1 n 1 n x ntt i 5 时间和频率的测量 电子测量技术 x ftnn n i 11 量化相对误差 计数值n越大时，量化相对误差就越小。 当fx一定时，增大主门时间ti，可以减小量 化相对误差。 主门时间一定，被测信号的频率愈高，量 化相对误差就越小。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 2. 主门时间误差（标准频率误差） 主门时间误差大小主要由石英晶体 振荡器输出频率的准确度决

14、定。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 设晶振频率为fc，分频系数为k，则主门时间为： c c f k ktt i c c f f k t 2 i c c f f t t i i 主门时间相对误差在数值上等于晶振 输出标准频率的相对误差，只是符号相反。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 3. 最大允许误差 ) ( i i t t n n f f x x ) 1 ( c c i f f ft x ) 1 ( c c i f f ftf f xx x 提高晶振频率的准确度和稳定性，增大主 门时间。 减小最大允许误差的方法： 低 被测信号频率 低时，不宜采用测频 法直接测量频率，而 应采用测周期

15、的方法 间接测量频率。 例5.1 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.4.3 频率比的测量 b a a b f f t t n b输入 记忆控制 门控双稳 触发器 复零脉冲 发生器 a 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 b 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 闸门输出 测频 测周 测周 外标 晶振 放大整形主门 十进制 计数器 显示器 放大整形 记忆控制 复零脉冲 发生器 分频器 时标 产生器 门控双稳 触发器 计数显示 控制逻辑电路 fa 放大整形fb 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.5 电子计数器测量时间 电子计数器测

16、周的最大 允许误差分析 电子计数器的测周原理 中界频率 时间间隔的测量 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.5.1 电子计数器的测周原理 s ntt n s t s nttx c nkt 记忆控制 门控双稳 触发器 复零脉冲 发生器 a 输入 放大整形 主门 十进制 计数器 显示器 闸门输出 外标 b 输入 时标 产生器 放大整形 测周 测频 晶振 周期 倍乘器 测周 闸门输出 外标 晶振 放大整形主门 十进制 计数器 显示器 放大整形 记忆控制 复零脉冲 发生器 倍频器 分频器 门控双稳 触发器 控制逻辑电路 计数显示 c t 时标信号的周期 a输入 b输入 s t x t x t fx

17、 x t s t 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.5.2 电子计数器测周的最大 允许误差分析 ) ( s s x n x x t t t t n n t t nn n1 c x s x kt t t t n x c t kt n n c c c c f f t t t t s s m 2 u u t t n x n 5 时间和频率的测量 电子测量技术 ) 2 1 ( m n c c x c x x u u f f t kt t t 大 周期较大的信号，应采用测周法测量。 周期较小的信号，应采用测频法测量。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 ) 2 1 ( m n c c x c x

18、x u u f f t kt t t 减小时标信号的周期ts，即减小k值。 减小测周最大允许误差的方法： 提高晶振频率的准确度和稳定度。 利用周期倍乘法（将主门时间由tx扩大为mtx ）。 ) 2 1 ( m n c c x c x x u u mf f mt kt t t 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.5.3 中界频率 stsfx fff 0 当被测频率高于中界频率时，应采用直接 测频法测量频率；当被测频率低于中界频率时， 应采用测周法测量频率。 5 时间和频率的测量 电子测量技术 5.5.4 时间间隔的测量 i t 晶振 放大 整形 主门 倍频器 分频器 计数 显示 控制 逻辑电路 门控 双稳 起始 触发器 终止 触发器 触发器 触发器 a输入